Dernière mise à jour le 04/06/2016
Présentation
Les principaux capteurs de température utilisés en électronique sont basés sur la loi de variation de la résistance électrique en fonction de la température.
Principales caractéristiques
Les principales caractéristiques de ces capteurs sont : Précision, Linéarité, Valeur nominale pour une température donnée (à 25 °C), Temps de réponse (en s), Sensibilité ou coefficient de température (variation de la résistance en fonction de la température), Étendue ou gamme de mesure (température min. et max. d’utilisation), Durée de vie, Stabilité (variation des différents paramètres dans le temps), Encombrement, coût, puissance.
Classification
On distingue deux types de thermistances : les CTN et les CTP mais il existe aussi les CCTPN.
CTN
Les CTN (Coefficient de Température Négatif, en anglais NTC, Negative Temperature Coefficient) sont des thermistances dont la résistance diminue de façon uniforme quand la température augmente et vice-versa.
R=R0*exp B (1/T-1/T0)
R est la résistance (en ohms) du capteur à la température cherchée (en Kelvin);
T est une température où la résistance R est déjà connue, proche de la température T cherchée ;
R0 est la résistance annoncée à une température de référence T0 (souvent 25 °C) ;
Petit rappel:
1°C => 274,15 Kelvin.
Les CTN sont fabriquées à base d’oxydes de métaux de transition (manganèse, cobalt, cuivre et nickel). Ces oxydes sont semi-conducteurs. Les CTN peuvent être utilisées dans une large plage de températures, de −200 °C à + 1 000 °C, et elles sont disponibles en différentes versions : perles de verre, disques, barreaux, pastilles, rondelles, puces etc. Les résistances nominales vont de quelques ohms à une centaine de kOhms. Le temps de réponse dépend du volume de matériau utilisé. Les CTN sont utilisées pour les mesures et le contrôle de la température, la limitation d’impulsions transitoires, la mesure de flux de liquides.C’est probablement possible théoriquement que les CTN peuvent être utilisées entre -200°C et 1000°C, mais en pratique il y a une enveloppe et elle ne tiendra certainement pas. Dans ce domaine un tel composant, même si les technologies évoluent n’iraient jusqu’à cette température .
Aux température voisines de l’ambiante jusqu’à 150°C -> thermistance.
de 150°C à->450°C sonde platine
de 450°C -> 1600°C thermocouple dont le type varie avec la plage d’utilisation.
La règle est suivante, au-de-là de 500°C, toujours employer un thermocouple certes moins précis mais plus fiables. En dessous de 500°C utiliser une sonde platine, qui donne de bonnes précisions.
Même aux températures ambiantes, les sonde platine qui est moins sensible qu’une thermistance mais beaucoup plus fidèle dans le temps. L’ennui c’est qu’elles sont beaucoup plus chères et demandent une chaîne de mesure plus compliquée.
Autre rappel :
Le degré Celsius est une échelle centésimale définie à partir de points remarquables : température de solidification et d’ébullition de l’eau dans les conditions normales de pression. Finalement ce n’est pas une grandeur mesurable mais repérable, ça n’a pas de sens de dire qu’une température de 40°C est deux fois plus chaude qu’une température de 20°C, pourtant on le dit souvent (même moi je le fais).
En fait la notion de température est directement liée à l’agitation thermique des particules qui constituent la matière, c’est une énergie de vibration, elle peut donc être exprimée en joules.
0 K -> pas d’agitation thermique, c’est le zéro absolu.
A partir de là il faut faire un lien entre énergie et température en Kelvin, on a définie une constante de proportionnalité de telle sorte que l’écart entre de température entre 1 °C et 1 K soit le même. C’est pour cela que l’on obtient 273,15K pour 0°C. Les gens qui utilisent les °F utilisent une autre définition des températures absolues en K. Dans tous les cas l’échelle de température en K est une grandeur mesurable, en effet quand la température double l’énergie double…
Vous pouvez regarder les explications sur le web, Wikipédia par exemple, mais les explications ne sont pas toujours très claires et souvent peu pédagogiques, il suffit pour vous de regarder les quelques lignes sur la théorie cinétique des gaz. Il est introduit une constante kB(Constante de Boltzmann), c’est cette constante qui a été choisie pour que l’écart en °C soit égal à l’écart en K(Enfin presque). Ce qui n’est pas détaillé c’est que Ec représente l’énergie de vibration d’une particule (atome par exemple). Imaginez une masse suspendue à un ressort qui oscille.Si l’atome oscille dans une seule direction, Ec = 1/2xkBxT. Mais comme il y a 3 possibilité de se déplacer dans l’espace, l’énergie sera pour un atome Ec = 3/2xkBxT. C’est finalement tout simple. Compliquons un peu les choses, si on a affaire à une molécule sans symétrie, il y a trois possibilités de rotations en plus Ec = 6/2xkBxT. Si on prend une molécule d’hydrogène(molécule diatomique), il n’y a que deux possibilités de rotation Ec= 5/2xKxBxT.
L’histoire des sciences et la démarche intellectuelle des scientifiques, peu nous en apprendre bien plus que les grandes théories, les équations qui sont en fait que des outils malheureusement pas toujours bien employés.
Pour en revenir au capteurs de températures pour des températures comprises entre -50°C et +1800°C. Quand on donne leurs caractéristiques, on trouve des plages d’utilisation bien plus large que la réalité. La raison, c’est que la plupart des capteurs sont confinés mécaniquement dans une enveloppe qui ne résiste pas toujours aux chocs thermiques. Une règle simple et efficace , ne jamais faire rougir l’enveloppe. Par exemple au-de-là de 550°C utiliser plus les sondes platines qui pourtant devraient tenir jusqu’à 800°C. Il est possible de le faire mais il faut les changer trop souvent, même pas la semaine pour les modèles utilisés.
Il faut savoir que la technologie évolue vite mais que les composants de haut de gamme on souvent des prix prohibitifs, à éviter pour les particuliers et même pour les industriels.
CTP
Les CTP (Coefficient de Température Positif, en anglais PTC, Positive Temperature Coefficient) sont des thermistances dont la résistance augmente avec la température. On distingue les thermo-résistances (augmentation continue et régulière de la résistance avec la température, voir ci-dessus) des CTP dont la valeur augmente fortement avec la température dans une plage de température limitée (typiquement entre 0 °C et 100 °C).
Pour ces dernières, il y a deux types principaux :
- CTP fabriquées à base de titanate de baryum. Leur valeur augmente brutalement dans un domaine étroit de température, puis diminue progressivement au-delà de cette zone. Elles sont comme les CTN, disponibles en différentes variantes et valeurs, et sont plutôt utilisées comme capteurs.
- CTP polymère-carbone. Leur valeur augmente aussi brutalement dans un domaine de température étroit, mais sans diminution au-delà. Elles sont principalement utilisées comme fusibles réarmables.
Les CTP peuvent être utilisées :
- Comme détecteur de température, pour protéger des composants (moteurs, transformateurs) contre une élévation excessive de la température ;
- Comme protection contre des surintensités (fusible réarmable) ;
- Comme détecteur de niveau de liquide : la température de la CTP et donc sa résistance, sera différente lorsque le capteur est dans l’air ou plongé dans un liquide.
Allô les mathématiques ?!!
Ayant récupéré dans le fond de plusieurs tiroirs des thermistances de type CTN, j’ai fais plusieurs teste en utilisant la formule qui a été énoncé dans le paragraphe CTN, je me suis dans le calcul pour trouver la température ambiante dans la pièce.
Dans un premier temps, j’ai connecté la thermistance en série avec un résistance de 10KOhms, cela tombe bien la thermistance est de 10kOhms, je peut donc avoir un pont diviseur de tension qui donne :
Vtcn=U*(Rt1/(Rt1+R1) (avec U tension de la pile 9V).
J’étais très pressé de mesuré la tension aux bornes de la thermistance qui augmentais au fur et à mesure… Après quelques minutes, histoire d’attendre que le système électronique ce stabilise, j’ai donc fait cette mesure avec comme valeur Vctn=4,93V. Intéressant comme valeur vous trouvez pas ??!
A partir de là, j’ai donc pris ma petite calculatrice et déterminé la valeur de la résistance Rt1 (thermistance), qui à été calculé à partir de du pont diviseur cité précédemment. Après plusieurs manipulation
>mathématique je me retrouve avec une formule comme :
Rt1=(-Vtcn*R1)/(Vtcn-U)=(-4,93*10000)/(4,93-9)=12kOhms environ..
Reprenons la formule R=R0*exp B (1/T-1/T0), j’ai de la chance, le fabricant de cette thermistance à donné la valeur de a constante B qui est égale à 4100Kelvin, puis je connais la valeur à 25°C qui est de 10KOhms.
Cela veut donc dire que :
R=12KOhms ;
R0=10KOhms ;
B=4100 Kelvin ;
T0=25°C ;
Bon et bien si nous manipulons encore une fois cette formule on retombe à une équation du type :
1/T=([Ln (R/R0)]/B)+(1/T0)=([Ln (12000/10000)]/15)+(1/25)=0,052.
D’où T=1/0,052=19.2°C
La formule devient:
R=10000 e[15(1/T- 0,04)]
ah !!! Et bien en voilà une de bonne nouvelle nul besoin de mettre du chauffage!!
Historiques
04/06/16
– Un grand merci Merci Gilles.B pour ses explications concernant les thermistances
25/10/14
– Première mise à disposition.
